Атомна і ядерна фізика

Атомна фізика – це розділ фізики, який вивчає будову атомів і елементарні процеси на атомному рівні.

Атом – це найменша частка хімічного елемента, яка є носієм його властивостей.

Атом складається з позитивно зарядженого ядра та електронної оболонки – сукупності електронів. Розмір атома визначається відстанню найбільш віддаленою від ядра електронної орбіти.

Така модель зустрілася з утрудненнями:

• відповідно до теорії Максвелла електрон, що рухається навколо ядра по колу або еліпсу, повинен безупинно випромінювати електромагнітні хвилі, що суперечить факту присутності постійного випромінювання атомів;
• планетарна модель атома нестійка в електродинамічному відношенні, тому що внаслідок випромінювання електромагнітних хвиль рухомим електроном енергія електрона повинна безперервно зменшуватися.

Отже, повинен зменшитися радіус траєкторії електрона, і врешті електрон неминуче впаде на ядро, що суперечить тривалому існуванню атомів. Ядерна фізика – це розділ фізики, в якому вивчаються структура та властивості атомних ядер.

Ядерна фізика займається також вивченням взаємоперетворення атомних ядер, що відбуваються як в результаті радіоактивних розпадів, так і в результаті різних ядерних реакцій. Основне її завдання пов’язане із з’ясуванням природи ядерних сил, що впливають між нуклонами, і особливостей руху нуклонів в ядрах.

До ядерної фізиці тісно прилягає фізика елементарних частинок, фізика і техніка прискорювачів заряджених частинок, ядерна енергетика. Крупною складовою частиною ядерної фізики є нейтронна фізика.

Сучасна ядерна фізика поділяється на теоретичну і експериментальну ядерну фізику. Теоретична ядерна фізика вивчає моделі атомного ядра і ядерні реакції, вона спирається на фундаментальні фізичні теорії, створені в процесі дослідження фізики мікросвіту. Експериментальна ядерна фізика використовує такі дослідницькі засоби, як прискорювачі заряджених частинок, ядерні реактори, різноманітні детектори часток.

Протони і нейтрони – це основні елементарні частинки, з яких складається ядро атома.

Нуклон – це частка, що володіє двома різними зарядовими станами: протон і нейтрон.

Заряд ядра – кількість протонів в ядрі, однакова з атомним номером елемента в періодичній системі Менделєєва.

Масове число нуклонів в ядрі дорівнює сумі кількості нейтронів і заряду ядра, тобто протонів.

Ізотопи – ядра, що мають один і той же заряд, якщо масове число нуклонів різне.

Ізобари – це ядра, що володіють одним і тим же числом нуклонів, при різних зарядах.

Нуклід – це конкретне ядро зі значеннями А і Z. Позначається:

• X – символ хімічного елемента;
• A – це масове число нуклонів;
• Z – це заряд ядра, кількість протонів;
• N – це кількість нейтронів в ядрі.

Питома енергія зв’язку – це енергія зв’язку, що припадає на один нуклон ядра. Її визначають експериментально.

Основний стан ядра – це стан ядра, що має найменшу можливу енергію, рівну енергії зв’язку.

Збуджений стан ядра – це стан ядра, що має енергію, більшу енергії зв’язку.

Факти, пов’язані з а-розпадом, тобто випромінюванням а-частинок:

• альфа-розпад має місце тільки для важких ядер;
• період напіврозпаду а-активних ядер складає від 10-6 с до 1017 років;
• a-частинки, які вилітають з ядер однієї і тієї ж речовини, мають, як правило, постійну енергію;
• період напіврозпаду залежить від енергії вилітаючих a-частинок. Період напіврозпаду тим більше, чим менше енергія a-частинок. Питома енергія зв’язку у таких ядер менше, ніж питома енергія ядер, розташованих в середині періодичної системи елементів.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Фотоефект

Світло має двоїсту корпускулярно-хвильову природу, тобто корпускулярно-хвильовий дуалізм:

• по-перше: він має хвильові властивості;
• по-друге: він виступає в ролі потоку частинок – фотонів.

Гіпотеза А. Ейнштейна, яку він висунув в 1905 р. : електромагнітне випромінювання не тільки випускається квантами, але поширюється і поглинається у вигляді частинок (корпускул) електромагнітного поля – фотонів.

Фотони є реально існуючими частками електромагнітного поля.

Світлова хвиля, яка падає на тіло, почасти відбивається від нього і в якійсь мірі проходить наскрізь, частково поглинається.

Тоді енергія поглинання світлової хвилі переходить в тіло, тобто нагріває тіло. Часто відома частина цієї поглиненої енергії активізує й інші явища, такі як:

• Фотоелектричний ефект;
• Тиск світла;
• Ефект Комптона;
• Люмінесценція і фотохімічні перетворення.

Всі ці процеси пояснюються на основі корпускулярних властивостей світла.

Фотоефект – це явище взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Для твердих і рідких тіл розпізнають зовнішній фотоефект, при якому поглинання фотонів супроводжується вильотом електронів за межі тіла, і внутрішній фотоефект, при якому електрони, залишаючись в тілі, змінюють свій енергетичний стан.

Фотоіонізація – це процес фотоефекту, який спостерігається в газах і складається в іонізації атомів (молекул) під дією випромінювання.

Фотострум – це струм, який виникає в ланцюзі, де пластинка приєднана до негативного полюса джерела – фотокатода; фототок виникає практично одночасно з освітленням фотокатода. Фотострум насичення прямо пропорційний інтенсивності світла, що падає на цинкову пластинку.

Червона межа фотоефекту – це гранична довжина хвилі при явищі фотоефекту, що виникає тоді, коли цинк опромінюється світлом.

Фотострум існує і тоді, коли в ланцюзі немає джерела струму. Це пояснюється тим, що частина електронів покидає катод і досягає анода.

Щоб фототок став рівним нулю, потрібно докласти затримуючу негативну напругу -U3.

Закони фотоефекту

1. Для кожної речовини існує гранична довжина хвилі – червона межа фотоефекту;
2. Число фотоелектронів, що вириваються з фотокатода в одиницю часу, пропорційно інтенсивності світлового потоку;
3. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою випромінювання і не залежить від інтенсивності світлового потоку, що падає на фотокатод;
4. Фотоефект практично безінерційний.

Пояснення фотоефекту Ейнштейном

При поглинанні світла металом фотон віддає свою енергію одному електрону.

Частина цієї енергії витрачається на те, щоб електрон міг залишити тіло. Якщо електрон звільняється світлом не у самої поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії, може бути втрачена їм внаслідок випадкових зіткнень в речовині.

Залишок енергії утворює кінетичну енергію електрона, який покинув речовину.

Енергія вильоту електрона буде максимальною, якщо електрон вибивається світлом з поверхні металу.

Збуджений стан – це стан атома, в якому він має енергію більшу, ніж в основному стані.

Квантування – це метод відбору орбіт електронів, відповідних стаціонарним станам атома.

Умова Бора дозволила відібрати можливі кругові орбіти електронів в атомі водню і пояснити спектр випромінювання атома водню.

Метод квантування Бора був узагальнений А. Зоммерфельдом, який показав, що квантових умов має бути стільки, скільки ступенів свободи має розглянутий тип руху.

Орбітальне квантове число – це фізична величина, що характеризує форму орбіти, яка представлена у вигляді заряджених хмар.

Принцип Паулі: в атомі не може перебувати два і більше електронів з однаковим набором квантових чисел.

Вироджені стану – це стани однакової енергії; число різних станів з якими-небудь значеннями енергії – кратність виродження відповідного енергетичного рівня.

Енергія ядерної реакції – це фізична величина, яка визначається різницею кінетичної енергії кінцевих і початкових ядер і частинок в реакції.

Якщо енергія ядерної реакції негативна, то реакція йде з поглинанням енергії.

Екзотермічна реакція – це реакція, коли енергія ядерної реакції позитивна, йде з виділенням теплоти.

При всіх ядерних реакціях дотримуються закони збереження електричного заряду, числа нуклонів, енергії, імпульсу – це означає, що при ядерних реакціях нуклони не знищуються і не видозмінюються, відбувається тільки перехід до іншого ядра, отже, для ядерних реакцій залишається постійним сумарне масове число і сумарний заряд ядер.

Причини, при яких швидкість ядерних реакцій при звичайних температурах практично дорівнює нулю:

• розміри ядер малі в порівнянні з розмірами атома, тому зустрічі ядер, які потрібні для виникнення реакції, відбуваються зі значно меншою ймовірністю;
• атомні ядра оточені високим потенційним бар’єром, для подолання якого заряджені частинки зобов’язані володіти більшою в порівнянні з енергією теплового руху кінетичною енергією.

Прискорити протікання ядерних реакцій наступними шляхами:

Термоядерна реакція – це ядерна реакція, яка протікає при високих температурах;

• використовувати для протікання ядерних реакцій заряджені частинки, спеціальним чином прискорювані для того, щоб їх енергія виявилася достатньою для подолання потенційного бар’єру.

Ядерна фізика

Ядерна фізика — це галузь фізики, яка вивчає атомні ядра та їх складові та взаємодії, а також інші форми ядерної матерії .

Ядерну фізику не слід плутати з атомною фізикою , яка вивчає атом в цілому, включаючи його електрони .

Відкриття в ядерній фізиці привели до застосування в багатьох областях. Це включає в себе ядерну енергетику , ядерну зброю , ядерну медицину та магнітно-резонансну томографію , промислові та сільськогосподарські ізотопи, іонну імплантацію в матеріалобудуванні та радіовуглецеве датування в геології та археології . Такі застосування вивчаються в галузі ядерної техніки .

Фізика елементарних частинок виникла з ядерної фізики, і ці дві галузі, як правило, викладаються в тісній асоціації. Ядерна астрофізика , застосування ядерної фізики до астрофізики , має вирішальне значення для пояснення внутрішньої роботи зірок і походження хімічних елементів .

Історія ядерної фізики як дисципліни , відмінною від атомної фізики починається з відкриття радіоактивності по Анрі Беккерель в 1896 році [1] зроблено при дослідженні фосфоресценції в уранових солей. [2] Відкриття електрона по Томсон [3] через рік був ознакою того, що атом мав внутрішню структуру. На початку 20-го століття прийнятою моделлю атома була модель «сливового пудингу» Дж. Дж. Томсона, в якій атом був позитивно зарядженою кулькою з меншими негативно зарядженими електронами, вбудованими в нього.

У наступні роки радіоактивність широко досліджувалася, зокрема Марією Кюрі , П’єром Кюрі , Ернестом Резерфордом та іншими. На рубежі століть фізики також відкрили три типи випромінювання, що виходить від атомів, які вони назвали альфа- , бета- і гамма- випромінюванням. Експерименти Отто Хана в 1911 році і Джеймса Чедвіка в 1914 році виявили, що спектр бета-розпаду був безперервним, а не дискретним. Тобто електрони були виведені з атома з безперервним діапазоном енергій, а не з дискретними кількостями енергії, які спостерігалися при гамма- і альфа-розпадах. На той час це було проблемою для ядерної фізики, оскільки, здавалося, це вказувало на те, що енергія в цих розпадах не зберігається .

З 1920-х років хмарні камери відігравали важливу роль детекторів частинок і в кінцевому підсумку привели до відкриття позитронів , мюонів і каонів .

Ядерна фізика. Частина 8. З чим і як взаємодіє радіаційне випромінення

Раніше ми з вами дізналися, з чого складаються атоми, та познайомилися з деякими процесами, які в них можуть відбуватися. Нам вже відомо, що з атомних ядер можуть вилітати різні частинки, та як їх можна зареєструвати. Настав час дізнатися, якої шкоди різні частинки можуть нам заподіяти і який існує захист від них.

Альфа-частинки як правило випромінюються речовинами, що містять радіоактивні ядра. Їхній заряд та відносно велика маса спричиняють швидке гальмування в будь-якому середовищі. Навіть у повітрі частинки від альфа-розпадів не долають відстані у 10 сантиметрів. Достатньо товстий папір може їх затримати. При зовнішньому опромінені тіла вони не проникають глибше шкіри. Але якщо до легень чи стравоходу потрапить пилинка навіть з незначною альфа-активністю, це буде дуже небезпечно. Якщо така пилинка затримається десь всередині організму, то невелика частина живої тканини отримає багато ушкоджень, адже частинки гальмуватимуться проходячи короткі відстані. Таке явище може бути дуже загрозливим.

Електрони теж є зарядженими, але значно легші, тому мають значно більший пробіг. Якщо вони є продуктами бета-радіоактивності, то затримає їх кілька міліметрів скла або якогось металу. Механізми, за якими бета-випромінення здатне зашкодити організму дуже схожі на такі у випадку і альфа-частинок, і інших заряджених частинок.

Гама-випромінення, як ми знаємо з попередньої частини цього циклу, з’являється при зміні внутрішнього стану ядер. Отже воно може бути супутнім продуктом багатьох ядерних реакцій: як розпадів радіоактивних елементів, так і, на приклад, в ядерних реакторах. Також є рентгенівське випромінення, яке по суті є тим самим явищем, тільки енергії квантів є меншими. Частіше за все рентгенівськими називають фотони з енергією меншою 200 кеВ, а гамма-випроміненням – фотони з більшою енергією.

Особливість взаємодії гамма-квантів з речовиною полягає в тому, що вона є стохастичною, тобто з потоку однакових частинок одні можуть пролетіти велику відстань без жодних змін, а інші – зникнути у взаємодії з одним атомом середовища, віддавши свою енергію. Імовірність того, що квант провзаємодіє, сильно залежить від енергії та від речовини. У видадку невеликиої інтенсивності зовнішнього опромінення тіла значної небезпеки немає, але поблизу інтенсивних джерел випромінення, яким може бути, на приклад, реактор, опромінення тіла є небезпечним, бо страждають одразу всі органи. Захистом від гамма-випромінення може бути речовина, яка містить важкі хімічні елементи (з великим зарядом ядра). Частіше за все використовують свинець.

Нейтрони з’являються в результаті багатьох ядерних реакцій. Наприклад, ядерний реактор є дуже інтенсивним джерелом нейтронів в широкому діапазоні енергій.

Особливість взаємодії нейтронів з речовиною полягає в тому, що вони не мають заряду, тому взаємодіють здебільшого з атомними ядрами. Якщо це ядра легких елементів, тоді при зіткненнях нейтрон віддає велику частку своєї енергії і сповільнюється. Але тоді з’являється рухомий заряджений об’єкт – атомне ядро, якому нейтрон надав імпульс. Взаємодія таких ядер схожа на те, як альфа-частинки гальмуються в речовині. Окрім такого роду зіткнень при потраплянні нейтронів у речовину можливі також ядерні реакції, в результаті яких одні атомні ядра перетворюються на інші, здебільшого нестабільні. Уявіть собі, наскільки такі процеси будуть небезпечними, якщо відбуватимуться в живому тілі!

Для захисту від нейтронів використовуються матеріали, які сповільнюють нейтрони і поглинають їх не породжуючи радіоактивних елементів. Часто роль такого захисту виконує суміш парафіну і борної кислоти. В парафіні багато атомів водню – найлегшого елементу, а отже його ядра найкраще сповільнюють нейтрони. Бор активно поглинає сповільнені нейтрони випромінюючи гамма-кванти. Другий шар захисту – свинець, який поглинає ці гама-кванти.

На цьому я закінчую перший цикл публікацій про ядерну фізику простою мовою. Будь ласка, пропонуйте теми для нових текстів у коментарях. Пишіть, що вам цікаво.

Джерелом усіх зображень є вікіпедія